INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA

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Capítulo 3: La incineración y la destrucción térmica Índice:

1. NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN............................................................. 2 1.1. TIPOS DE REACCIONES EN LA COMBUSTIÓN ......................................... 3 1.2. EL PROCESO DE INCINERACIÓN............................................................... 6 1.2.1. EL CALENTAMIENTO DEL RESIDUO................................................... 7 1.2.2. FACTORES RELATIVOS A LA NATURALEZA DEL RESIDUO ............ 7 1.2.3. FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL RESIDUO ........................ 8 1.2.4. FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR ............... 9 1.3. EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN ................................................................ 11 2. LA INCINERACIÓN........................................................................................... 13 2.1.LA OXIDACIÓN............................................................................................ 13 2.2.EFECTOS DE LA ISOTERMIA SOBRE LA CALIDAD DE LA DESTRUCCIÓN ........................................................................................................................... 15 2.3.INCIDENCIA AMBIENTAL DE LA INCINERACIÓN...................................... 16 3. NOCIÓN DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA.......................................................... 19 3.1. EFICIENCIA DE LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA ......................................... 20 3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN HORNO .............................................. 22 3.3.LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA..................................................................... 22 3.4. CASO PARTICULAR DE LOS ORGANOCLORADOS ................................ 23 4. LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DE LOS HORNOS ........................ 24 4.1. PERFIL DE TEMPERATURAS EN UNA PLANTA INCINERADORA ........... 24 4.2. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS....................................................... 24 5.CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN ................................................................ 25 5.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CAMARA DE POSTCOMBUSTIÓN ......................................................................................... 25 5.2.EJECUCIÓN DE CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN................................ 25 6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN .......................................................................... 26 6.1. INCINERACIÓN CON VITRIFICACIÓN....................................................... 26 6.2. INCINERACIÓN DE RESIDUOS SANITARIOS........................................... 26

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1. NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN Con el nombre de combustión se designa toda reacción química que va acompañada de gran desprendimiento de calor. Sin embargo, la combustión propiamente dicha es una oxidación rápida que produce el calor y la temperatura suficientes para que haya luz, bien sea con llama o sin ella. En el caso de que no exista la llama la combustión se denomina lenta, como puede ser la combustión de un cigarrillo. Cuando existe llama la combustión se denomina viva, como por ejemplo la de una cerilla, el fuego del carbón en una caldera, etc. De un modo amplio y general se llaman combustibles aquellos cuerpos que arden, es decir, que se combinan con el oxígeno, reservándose para éste (o el aire) el nombre de comburente. Sin embargo, actualmente, y desde un punto de vista más riguroso y más científico, los conceptos de combustión, combustible y comburente abarcan un campo más amplio; por ejemplo, la variada y no bien conocida serie de combustibles sólidos y líquidos especiales empleados en astronáutica. Conocida es en la industria química inorgánica la reacción entre el cloro y el hidrógeno gaseosos para formar ácido clorhídrico, reacción que tiene lugar con gran desprendimiento de calor, alta temperatura y formación de llama, tratándose por tanto de una combustión, lo cual no quiere decir que se considere como tal técnicamente, porque actualmente tales combustiones resultarían inaceptables por anti-económicas, y por producir gases (ClH) inadmisibles para su emisión a la atmósfera. Para que tenga lugar la combustión han de mezclarse combustible y comburente cuanto más íntimamente mejor y, ya que la combustión en general no es espontánea, así iniciar la combustión con un punto de ignición, es decir, con un foco calorífico (aunque sea pequeño) de elevada temperatura, como ocurre, por ejemplo, con la chispa de la bujía en la mezcla gasolina-aire. La combustión es tanto más perfecta cuanto más fácilmente se mezclan el combustible y el comburente; por ello son magníficos combustibles los gases y los líquidos fácilmente vaporizables, y también por la misma razón, entre otras, se quema hoy día más carbón pulverizado que en trozos. Los combustibles sólidos y líquidos deben pasar por una fase previa de gasificación para que se desprendan los volátiles. Las reacciones de combustión siempre tienen lugar en fase gaseosa. Para que la combustión tenga lugar y sea estable, necesita una temperatura elevada. La combustión sólo tiene lugar a temperatura elevada. Si el desprendimiento de calor provocado por la combustión es suficiente para mantener esta elevada temperatura, la combustión proseguirá, la llama será estable.

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Por tanto, antes de empezar la combustión, el combustible debe ser llevado a su temperatura de inflamación, de las que se indican algunas: Para la hulla . . . Para el lignito . . Para el coque . . Para el petróleo . . Para el gas de gasógeno . Para el gas del alumbrado .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

400-500ºC 250-450ºC 700-750ºC 530-580ºC 700-800ºC 700-800ºC

En el caso que nos ocupa de los residuos sanitarios, por lo general al ser sólidos de bajo poder calorífico e inflamabilidad, la temperatura mínima recomendada es de 850ºC. Cuando se cumplen las tres condiciones: - Temperatura suficiente - Presencia adecuada de combustible - Presencia adecuada de comburente Tiene lugar la combustión por combinación química del combustible y del comburente. 1.1. TIPOS DE REACCIONES EN LA COMBUSTIÓN Tomando el caso del metano para simplificar, se pueden distinguir 3 tipos básicos de combustiones: COMPLETAS: Cuando las reacciones están totalmente desplazadas hacia la derecha, con independencia del exceso de aire empleado (todos los productos de la combustión están oxidados. Así pues en los gases de combustión sólo existirá: CO2, H2O, N2 y cantidades variables de O2) . La reacción típica será: CH4 + 3O2 → 2 H2O + CO2 + O2 + CALOR ESTEQUIOMÉTRiCA: Es aquella combustión completa que se ha llevado a cabo sin exceso (ni defecto) de aire. Esta condición es necesaria pero no suficiente ya que además la mezcla combustible-comburente debe ser total y homogénea. En caso contrario, habría zonas en las que las moléculas del combustible no encontrarían a las moléculas del comburente. Si se cumplen estas condiciones obviamente los únicos productos de la combustión serán: CO2, H2O, N2 y la temperatura alcanzada será la máxima. CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR

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INCOMPLETAS: Son aquellas en que los gases de combustión contienen compuestos parcialmente oxidados (inquemados) como el monóxido de carbono, combustibles sin oxidar como el hidrógeno, partículas de carbón, etc. Estas combustiones pueden efectuarse con exceso o con defecto de aire. 2CH4 + 2O2 → H2O + CO + CO2 + 3H2 + CALOR Tomando una reacción elemental, como la combustión del metano: CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR los cálculos elementales de las reacciones de combustión se establecen a partir de la tabla siguiente. Tabla. Cantidades de masa

ELEMENTOS

CH4

O2

à

CO2

H2O

Moles

1

2

à

1

2

Peso

16

2*32 = 64

à

44

2*18 = 36

Cálculos en volumen Un volumen de CH4 da un volumen de CO2 y necesita dos volúmenes de O2. Como que el % en volumen de O2 en el aire es del 21 %, la cantidad de aire será de (2 * 100) / 21 = 9,52. O sea un mol (que en condiciones normales son 22,4 l) necesita para arder en condiciones de estequiometría 9,52 veces de aire. O lo que es lo mismo, 1 m3 de metano precisa 9,52 m3 de aire y da lugar a 1 m3 de CO2. La tabla siguiente ilustra el caso de una reacción estequiométrica. Tabla. Volúmenes en reacción estequiométrica

CH4 1 m3

+

Aire

à

CO2

9,52 m3

à

1 m3

+

H2O 2 m3

+

N2 7,52 m3

y la composición, en volumen, de los productos secos de la combustión serán: • CO2: • N2:

11,74 % 88,26 %

Nota: Lo normal es dar la composición de los gases secos, habiendo deducido el agua, ya que en muchas ocasiones ésta condensa y deja de formar parte de los gases de emisión.

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Cálculos en peso Teniendo en cuenta que, en peso, el porcentaje de O2 en el aire es del 23 %, para combinar estequiométricamente 1 Kg de metano se precisa: 1 kg CH4 x ----------------- = ----------------16 g CH4 64 g O2 donde “x” son 4 Kg de O2, que en forma de aire será: (4 * 100) / 23 = 17,39 Kg, y dará lugar a los siguientes productos de la combustión: CO2 1 kg CH4 y1 ----------------- = ----------------16 g CH4 44 g CO2 donde “y1" son 2,75 Kg de CO2. H2O 1 kg CH4 y2 ----------------- = ----------------16 g CH4 32 g H2O donde “y2" son 2,25 Kg de H2O. N2 N2 = 17,39 x 0,77 = 13,39 Kg En términos de emisión la ecuación deberá escribirse como ilustra la tabla siguiente. Tabla. Cantidades másicas en la combustión

CH4 1 Kg

+

Aire

à

CO2

17,39 Kg

à

2,75 Kg

+

H2O 2,25 Kg

Esta cantidad de aire se denomina aire mínimo o estequiométrico. Si se precisa un 50 % de exceso de aire la masa en juego será: Aire total = 1,5 × 17,39 = 26,08 Kg aire

+

N2 13,39 Kg

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1.2. EL PROCESO DE INCINERACIÓN La incineración no es exactamente una combustión. De hecho es un proceso muy complejo donde, evidentemente, la combustión juega un papel esencial. Los sólidos, aunque su poder calorífico sea importante, no reaccionan con el oxígeno del aire como es obvio. Hay que someterlos a un determinado nivel de temperatura para que se inicien una serie de reacciones químicas y físicas. Para comprender el fenómeno de la incineración es necesario tener en cuenta, a la vez, las operaciones de transferencia de materia y transmisión de calor tanto en la fase sólida como en la gaseosa y entre ambas. El calor desarrollado en la combustión, o bien el quemador inicial cuando se inicia la operación, es transferido al resto del residuo lo que provoca: • • • • • •

Evaporación del agua residual. Calentamiento del sólido o líquido. Vaporización de compuestos. Gasificación de la materia orgánica. Pirólisis de otra fracción de la materia orgánica. Combustión total o parcial de otra fracción de la materia orgánica.

La figura simboliza las fases o etapas descritas en el proceso de incineración.

El hecho de que se desarrolle mas o menos una de estas fases depende del tipo de horno y de la forma en que se lleve a cabo la primera etapa de calentamiento.

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El calentamiento tiene lugar en el horno. Los factores que propician una mayor o menor, con independencia claro está de la caracterización del propio residuo, intensidad de las etapas antes enumeradas son: • Tipo de horno. De parrilla, rotatorio, lecho fluidizado, etc. • Forma de la transferencia de calor hacia el residuo. • Exceso de aire en el proceso. 1.2.1. EL CALENTAMIENTO DEL RESIDUO Se pueden distinguir tres etapas: - La primera etapa de temperatura, hasta los 300ºC, corresponde a la eliminación del agua y al comienzo de la fase de volatilización. En esta etapa, los compuestos más volátiles o cuyo punto de ebullición sea inferior a 300ºC se desprenden en forma de gas. A partir de esta temperatura, 300ºC, comienzan las reacciones de combustión. - La siguiente etapa abarca desde los 300 hasta los 1.000 ºC y es considerada la zona fundamental. Corresponde a la oxidación de la materia orgánica con la consiguiente formación de SOx y CO2. En esta etapa se suceden y superponen una serie de fenómenos. A los 300ºc se produce la oxidación de los sulfuros y posteriormente la formación de SOX. Al mismo tiempo se produce la descomposición de la materia orgánica. Mientras todo esto sucede (si hay productos fundentes) hacia los 700ºC, se producen sinterizaciones. A mayor temperatura y en función de la naturaleza reductora del medio, las reacciones de gasificación, es decir las combustiones en defecto de aire, toman fuerza. Esto provoca que el equilibrio se desplace y se formen CO y SOx. A partir de los 900ºC se inicia la formación de NOx de origen térmico a partir del nitrógeno del aire y se ve favorecida la fase vítrea de la escoria formada. - En la última etapa, a partir de los 1000ºC, se inicia la volatilización de metales pesados (Cadmio, Níquel, Zinc,...) y continúa el desprendimiento de NOX. En esta etapa, es cuando hay mayor peligro de contaminación medioambiental debido a la volatilización de los metales.

1.2.2. FACTORES RELATIVOS A LA NATURALEZA DEL RESIDUO Los residuos, y en particular los sanitarios, son compuestos complejos y durante el proceso de incineración es posible la formación de compuestos que no han sido identificados a la entrada. El nombre genérico de estos compuestos es el de “Productos de la Combustión Incompleta” (PCI). Por lo general estos compuestos pertenecen a la extensa

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familia de los alquitranes. Parece obvio que, no estando presentes en la composición inicial del residuo, no debe permitirse que la generación de estos compuestos supere una concentración de 100 µg/g, o bien 10-7g/g con respecto la cantidad entrante. Los productos de la combustión incompleta tienen un origen complejo y, por lo general, se deben a las numerosas reacciones intermedias que tienen lugar en las fases de alta temperatura. La tabla siguiente muestra una relación de los PCI mas frecuentemente hallados en la incineración de residuos especiales. Compuesto volátil Benceno Tolueno Clorobenceno Cloruro de metileno Tetracloruro de carbono Cloroformo Tetracloroetileno 1, 11-Tricloroetano

Compuesto semivolátil Fenil Naftaleno Butilbencilftalato Dietilftalato Bis (2-etilexil)ftalato

Es de notar que los hidrocarburos que aparecen en la tabla son volátiles o semivolátiles. De lo cual se deduce que la etapa de gasificación, pirólisis y vaporización que se realiza en el horno es necesaria pero no suficiente para asegurar su destrucción. De ahí la importancia de la cámara de postcombustión. La combustión de productos clorados ha demostrado la tendencia a la formación de inquemados y pueden formar compuestos exentos de cloro a causa de la debilidad del enlace CCl. Estos productos a lo largo de la instalación interaccionan de nuevo para dar lugar a reacciones de recombinación para formar otros hidrocarburos clorados.

1.2.3. FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL RESIDUO No es suficiente con el hecho que el combustible posea un determinado PCI para garantizar un éxito en su combustión. Es preciso que el combustible esté bien subdividido para que la superficie específica sea la mayor posible. Esta circunstancia, si bien deseable, a veces es imposible en el caso de los residuos sanitarios puesto que la ley obliga a incinerarlos tal y como llegan a planta, esto es en el interior de los contenedores de plástico. Hay que tener presente que todas las reacciones de combustión tienen lugar entre gases y vapores. En el caso de los combustibles sólidos y líquidos es preciso una

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previa vaporización, destilación y gasificación para convertirlos en gases y así favorecer la combinación con el oxígeno del aire. En el caso de los combustibles líquidos la subdivisión de las partículas se denomina atomización y esto se consigue en unas boquillas o dispositivos especiales que tienen por misión reducir al mínimo el tamaño de la gota de líquido. Mientras que si se desean muchas gotas y de pequeño tamaño para que la superficie expuesta a la radiación sea máxima es necesario pulverizar el líquido. Esto se consigue en los quemadores. Para el caso de los combustibles sólidos el problema es paralelo y el efecto se denomina micronización del combustible (subdivisión de las partículas). En este caso hay que recurrir a los diversos tipos de molinos que existen en el mercado para conseguir una reducción del tamaño. 1.2.4. FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR La transmisión de calor tiene lugar de tres maneras: conducción, convección y radiación. Estas tres formas de transmitir el calor están ligadas a una diferencia de temperatura, ya que el calor siempre pasa del cuerpo caliente al más frío. La transmisión de calor por conducción tiene lugar en el interior de los cuerpos sin que haya desplazamiento de la materia, puesto que el calor es atribuido al movimiento vibratorio de las partículas (moléculas, átomos, iones) que, por su proximidad, ceden la energía calorífica en forma de energía vibrante. Lo que ocurre es que la partícula que tiene mayor temperatura vibra más rápidamente que la que está más fría, cediendo energía y perdiendo temperatura, al mismo tiempo la partícula que estaba fría gana temperatura y energía vibrante. La transmisión de calor por convección tiene lugar en los fluidos. En este caso, nuevas partículas de fluido sustituyen a las que, ya calientes, se despegan de la superficie de calefacción. Como se trata de un verdadero transporte de calor, será tanto más intenso cuanto mayor sea la velocidad del desplazamiento de las moléculas fluidas, lo que se consigue provocando una fuerte caída de presión o por medio de agitadores (convección forzada). La transmisión de calor por radiación tiene lugar siempre que se encuentran dos superficies separadas una de otra por un medio permeable a las radiaciones caloríficas. Los medios conocidos más permeables para las radiaciones caloríficas son el vacío y el aire (tanto mejor cuanto más limpio y seco). En un horno, es preciso un nivel de temperatura para generar los volátiles. Esta temperatura se alcanza mediante el aporte de energía en forma de calor. En la combustión, el calor se transmite desde el foco emisor hacia la carga o combustible por convección y por radiación. A continuación se muestran las fórmulas para la convección y la radiación.

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La convección A continuación se muestran las fórmulas para la transferencia de calor por convección y la del coeficiente de convección. d 0, 2 K Fórmulas para la convección: QC = hC· S· (T1 − T2 ) ; hC = 0,020· 0,3 v 0,8 υ QC = calor por convección en Kcal/h hC = coeficiente de convección en Kcal.m-2h-1K-1 d = diámetro en m K = conductividad térmica de los gases en Kcal. m-1.h-1.K-1 υ =viscosidad cinemática de los gases en m2.h-1 v = velocidad de los gases m.h-1 En resumen, a efectos prácticos puede concluirse que la tasa de transmisión de calor por convección aumenta en la medida que lo hace la velocidad de circulación de gases. Es preciso aumentar mucho la velocidad para tener un valor significativo de la transferencia de calor. Ahora bien si la velocidad es elevada, en la incineración el arrastre de partículas es muy importante y con ello la generación de inquemados. La radiación Las fórmulas que gobiernan la transferencia de calor por radiación son:

(

)

QR = hi· S Te − T p ; 4

4

(T = σ· e·

4

e

4

)

− Tp ) QR = calor por radiación en Kcal/h hi = coeficiente de radiación en Kcal.m-2h-1K-1 σ (constante de Stefan Boltzmann) = 4.9·10-8 Kcal.m-2h-1K-1 e (emisisvidad global relativa de la llama): 0